CC BY
41DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-173-174
КОМПОНЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ НА ПЛАТФОРМЕ «КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ»
ЗемцовДС.1*, Иванова А.К.1, Тазиев К.Р.1, Жигунов Д.М.1, Пшеничнюк И.А.1, Гарбузов К.Н.1, Косолобов С.С.1, Драчёв В.П.1,2
'Сколковский институт науки и технологий, г. Москва 2Университет Северного Техаса, г. Дентон E-mail: [email protected]
Платформа кремний-на-изоляторе (КНИ) привлекает внимание исследователей по всему миру и активно развивается в течение последних 20 лет благодаря возможности массово создавать миниатюрные оптические и электронные элементы на одном чипе.
Целью данной работы была разработка дизайна, методов производства и тестирования пассивных оптических устройств, предназначенных для управления излучением на чипе на платформе КНИ. Были использованы пластины КНИ с толщиной кремний 220-230 нм и толщиной изолятора (SiO2) - 2,05 мкм. Все пассивные устройства изготавливались методом электронной литографии по КМОП совместимой технологии, проиллюстрированной на Рис. 1.
Resist I E-Beam
Spin coating J lithography Development ICP etching
SOI wafer Resist ■ 1 Resist removal
Si Si Si Si
SiO: SiOi SiO: SiO, SiO: SiO:
Рис. 1. Технология производства пассивных интегральных оптических устройств
Основные задачи, решающиеся при помощи пассивных оптических устройств на чипе, следующие: связь чипа и оптического волокна, коммутация между устройствами на чипе и спектральная фильтрация излучения.
Были разработаны дифракционные решетки для использования в качестве интерфейса связи чипа КНИ и оптического волокна. Благодаря высокому контрасту показателей преломления на платформе КНИ дифракционные решетки могут обеспечить высокую эффективность перевода волоконной моды в моду кремниевого волновода и наоборот [1]. Разработанные равномерные дифракционные решетки неполного травления, возбуждающие ТЕ волноводную моду, имеют эффективность связи -2.64 дБ в расчете на одну решетку и ширину полосы пропускания 67 нм по уровню -1 дБ. Спектр пропускания для ТЕ решетки изображен на Рис. 2 синей кривой. Параметры решетки следующие: период 636 нм, заполнение
0.58, глубина травления 70 нм, ширина 7 мкм. Оранжевой кривой на Рис. 2 изображен спектр пропускания решетки, работающей с ортогональной поляризацией и возбуждающей ТМ волноводную моду. Эта решетка имеет следующие параметры: период 1015 нм, заполнение 0.85, глубина травления 80 нм, ширина 7 мкм. ТМ решетка обеспечивает эффективность связи -2.45 дБ и обладает полосой пропускания 58 нм по уровню -1 дБ. Параметры решеток были подобраны при помощи экспериментального исследования, включающего в себя изготовление серии структур различной геометрии. Обе решетки оптимизированы для ввода излучения под углом 15 градусов к нормали. Варьирование угла в диапазоне +/-5 градусов перестраивает максимум спектральной эффективности решетки во всем С+Ь диапазоне с незначительными потерями эффективности связи.
Чтобы организовать связь моды решетки и моды волновода используются тейперы, представляющие собой волноводы, ширина которых плавно и линейно уменьшается от ширины решетки до ширины волновода, составляющей как правило менее 1 мкм. Потери в тейпере оцениваются как —0.5 дБ. Для коммутации элементов на чипе используются прямоугольные в сечении волноводы, высота которых
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
173
I56fl I.SHU
Wavelcnjttb, am
Рис. 3. Спектр пропускания структуры с кольцевым резонатором
соответствует высоте слоя кремния (220 нм), а ширина варьируется в зависимости от конкретной роли волновода в оптической системе. Так, например, для организации перетекания моды прямолинейного волновода в моду кольцевого резонатора, используется ширина волновода менее 500 нм, поскольку в таком режиме можно добиться больших коэффициентов связи [2]. Для оптической связи элементов на чипе используются волноводы шириной 600 нм и более. В таких волноводах потери мощности излучения из-за шероховатости боковых стенок оказываются меньше, чем в более узких волноводах [3].
Фильтрация излучения по длине волны может быть организована различными методами, например, кольцевыми резонаторами. В данной работе были изготовлены кремниевые кольцевые резонаторы с добротностью более 104. На Рис. 3 изображен экспериментальный спектр пропускания волновода с ТЕ решетками ввода-вывода, связанного посредством воздушного зазора с кольцевым резонатором. Ширина одного резонанса составляет 150 пм, а амплитуда достигает 17 дБ. Параметры структуры следующие: ширина волновода 400 нм, расстояние между волноводом и кольцом 125 нм, радиус кольца 5.5 мкм. Перетекание волноводной моды в кольцо происходит через экспоненциально убывающие по интенсивности фракции поля оптической волны, которые оказываются за пределами волновода [2]. Амплитуда поля за пределами волновода оказывается тем больше, чем меньше ширина волновода. Варьируя ширину волновода и расстояние до кольца, можно настраивать коэффициент связи волновода и резонатора.
Кольцевые резонаторы могут выполнять функцию узкополосных фильтров. Для более широкополосной спектральной фильтрации целесообразно использовать дифракционные волноводные решетки. Эти устройства работают по принципу многолучевой интерференции. Оптическое излучение распределяется в параллельные промежуточные волноводы, длина каждого следующего волновода должна быть больше, чем предыдущего на mk0/neff, где - длина волны излучения в вакууме, neff -эффективный индекс моды волновода, а m - натуральное число. Такое устройство организует спектральное разделения излучения по углу, что позволяет выделять из сигнала спектральные компоненты произвольного состава. Такие структуры часто используются в качестве DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) мультиплексоров.
Измерения оптических параметров исследуемых интегрально-оптических устройств проводились на зондовой станции Cascade Microtech EPS 150 с использованием линзованных оптических зондов LWP и оптического анализатора спектра BOSA 400. На Рис.4 изображена фотография измеряемого чипа и оптических зондов. В качестве референсного уровня оптического пропускания использовалось значение пропускания, измеренное в схеме зонд в зонд.
Благодаря минимальному диаметру пятна оптического излучения (5 мкм) использовались решетки небольшой ширины (7 мкм), что позволяет снизить потери на переводе моды решетки в волноводную моду при помощи тейпера. Кроме того, малый диаметр излучения, попадающего на решетку, способствует увеличенной полосе пропускания по сравнению с популярным подходом с использованием сколотого одномодового волокна в качестве оптического зонда [4].
В результате проведенных исследований были разработаны дизайны устройств, проведено их изготовление методом электронной литографии, а также измерены основные оптические характеристики. Показано, что изготовленные интегрально-оптические устройства на платформе КНИ -дифракционные решетки ввода-вывода, волноводы и кольцевые резонаторы - обладают полосой пропускания, эффективностью связи и добротностью на уровне лучших мировых аналогов.
Рис. 4. Измерения волновода на чипе КНИ оптическими зондами
Литература
1. Marchetti R. et al, Opt. Exp., 2, 7, 201-239 (2019)
2. Bogaerts W. et al, Laser and Photonics Rev., 1, 6, 47-73 (2012)
3. Yap K. et al, J. Lightwave Technology, 18, 27, 3999-4008 (2009)
4. Passoni M. et al, Appl. Phys. Lett. 4, 110 (2017)
174
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.ru [email protected]
